package my.map;

import java.util.Comparator;
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;

/**
 * <p>
 * 红黑树实现的Map
 * </p>
 *
 * @author AJun
 * @since 2020/8/31
 */
@SuppressWarnings("ALL")
public class TreeMap<K, V> implements Map<K, V> {

    private static final boolean RED = false;
    private static final boolean BLACK = true;

    private int size;
    private Node<K, V> root;

    /**
     * 元素比较器
     */
    private final Comparator<K> comparator;

    public TreeMap() {
        this(null);
    }

    public TreeMap(Comparator<K> comparator) {
        this.comparator = comparator;
    }

    @Override
    public int size() {
        return size;
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    @Override
    public void clear() {
        root = null;
        size = 0;
    }

    @Override
    public V put(K key, V value) {
        keyNotNullCheck(key);

        // 添加的第一个节点，根节点，根节点没有父节点
        if (root == null) {
            root = new Node<>(key, value, null);
            size++;

            // 添加之后的处理
            afterPut(root);
            return null;
        }

        // 找到要添加元素的父节点
        Node<K, V> parent = root;
        Node<K, V> node = root;
        int cmp = 0;
        do {
            cmp = compare(key, node.key);
            parent = node;

            if (cmp > 0) {
                node = node.right;
            } else if (cmp < 0) {
                node = node.left;
            } else {
                // cmp == 0: 相等则覆盖其值，防止自定义对象的其它属性值不一样
                node.key = key;
                V oldValue = node.value;
                node.value = value;
                return oldValue;
            }
        } while (node != null);

        // 找到要插入到父节点的左还是右
        Node<K, V> newNode = new Node<>(key, value, parent);
        if (cmp > 0) {
            parent.right = newNode;
        } else {
            parent.left = newNode;
        }

        size++;
        // 添加之后的处理
        afterPut(newNode);
        return null;
    }

    @Override
    public V get(K key) {
        Node<K, V> node = node(key);
        return (node != null) ? node.value : null;
    }

    @Override
    public V remove(K key) {
        return remove(node(key));
    }

    @Override
    public boolean containsKey(K key) {
        return node(key) != null;
    }

    @Override
    public boolean containsValue(V value) {
        if (root == null) {
            return false;
        }

        Queue<Node<K, V>> queue = new LinkedList<>();
        queue.add(root);
        while (!queue.isEmpty()) {
            Node<K, V> front = queue.remove();
            if (valEquals(value, front.value)) {
                return true;
            }

            if (front.left != null) {
                queue.add(front.left);
            }
            if (front.right != null) {
                queue.add(front.right);
            }
        }
        return false;
    }

    @Override
    public void traversal(Visitor<K, V> visitor) {
        traversal(root, visitor);
    }

    /**
     * 中序遍历
     *
     * @param node    某个节点
     * @param visitor 提供给外界的遍历接口
     */
    private void traversal(Node<K, V> node, Visitor<K, V> visitor) {
        if (node == null || visitor.stop) {
            return;
        }

        traversal(node.left, visitor);
        if (visitor.stop) {
            return;
        }
        visitor.visit(node.key, node.value);
        traversal(node.right, visitor);
    }

    /**
     * 比较俩个value值是否相同
     *
     * @param v1 第一个 value
     * @param v2 第二个 value
     * @return 比较值
     */
    private boolean valEquals(V v1, V v2) {
        return v1 == null ? v2 == null : v1.equals(v2);
    }

    /**
     * 删除指定节点
     *
     * @param node 节点
     * @return V 删除节点的value值
     */
    private V remove(Node<K, V> node) {
        if (node == null) {
            return null;
        }

        size--;

        // 记录删除节点的Value值
        V oldValue = node.value;

        // 度为 2 的节点，用其后继节点的元素覆盖此节点的元素，然后将此后继节点删除
        if (node.hasTwoChildren()) {
            // 找到此节点的后继节点
            Node<K, V> s = successor(node);
            node.key = s.key;
            node.value = s.value;
            node = s;
        }

        // 删除 node 节点(node 的度必为 1 或 0)
        // replacement 是 node 的子节点
        Node<K, V> replacement = (node.left != null) ? node.left : node.right;
        if (replacement != null) {
            // node 是度为 1 的节点
            // 更改 parent
            replacement.parent = node.parent;
            // 更改 parent 的 left 和 right 的指向
            if (node.parent == null) {
                // node 是度为 1 的节点并且是根节点
                root = replacement;
            } else {
                if (node == node.parent.left) {
                    node.parent.left = replacement;
                } else {
                    node.parent.right = replacement;
                }
            }

            // 删除后调整，恢复平衡
            afterRemove(replacement);
        } else if (node.parent == null) {
            // node 是叶子节点 且 node 是根节点，根节点不需要修复红黑树性质
            root = null;
        } else {
            // node 是叶子节点，但不是根节点
            if (node == node.parent.left) {
                // 如果 node 是其父节点的左子节点，则删除父节点的左子节点
                node.parent.left = null;
            } else {
                // 如果 node 是其父节点的右子节点，则删除父节点的右子节点
                node.parent.right = null;
            }

            // 删除后调整，恢复平衡
            afterRemove(node);
        }
        return oldValue;
    }

    /**
     * 获取二叉搜索树中与传入元素相同的节点
     *
     * @param element 要查找的元素
     * @return 与此元素相同的节点
     */
    private Node<K, V> node(K key) {
        Node<K, V> node = root;
        while (node != null) {
            int cmp = compare(key, node.key);
            if (cmp == 0) {
                return node;
            } else if (cmp > 0) {
                node = node.right;
            } else {
                // cmp < 0
                node = node.left;
            }
        }
        return null;
    }

    /**
     * 添加后的处理
     *
     * @param node 添加的节点
     */
    private void afterPut(Node<K, V> node) {
        // 父节点
        Node<K, V> parent = node.parent;

        // 添加的是根节点或者上溢到达了根节点，则直接将该节点染成黑色然后直接添加即可
        if (parent == null) {
            black(node);
            return;
        }

        // 如果父节点为黑色，则无需调整，直接返回
        if (isBlack(parent)) {
            return;
        }

        // 叔父节点
        Node<K, V> uncle = parent.sibling();
        // 祖父节点(无论是否上溢，都需要将其染成红色)
        Node<K, V> grand = red(parent.parent);

        // 上溢
        if (isRed(uncle)) {
            // 叔父节点是红色，上溢，将父节点和叔父节点染成黑色
            black(parent);
            black(uncle);
            // 将祖父节点染成红色当作新添加的节点向上合并
            afterPut(grand);
            return;
        }

        // 非上溢: 叔父节点不是红色，染色并旋转
        if (parent.isLeftChild()) { // L
            if (node.isLeftChild()) { // LL
                // 父节点染成黑色，祖父节点染成红色，祖父节点右旋转
                black(parent);
            } else { // LR
                // 当前节点染成黑色，祖父节点染成红色，父节点左旋转，祖父节点右旋转
                black(node);
                rotateLeft(parent);
            }
            // 祖父节点进行右旋转
            rotateRight(grand);
        } else { // R
            if (node.isLeftChild()) { // RL
                // 当前节点染成黑色，祖父节点染成红色，父节点右旋转，祖父节点左旋转
                black(node);
                rotateRight(parent);
            } else { // RR
                // 父节点染成黑色，祖父节点染成红色，祖父节点进行左旋转
                black(parent);
            }
            // 祖父节点进行左旋转
            rotateLeft(grand);
        }
    }

    /**
     * 删除之后的操作
     *
     * @param node 被删除的节点 或者 用于取代被删除节点的子节点(当被删除节点度为1时)
     */
    private void afterRemove(Node<K, V> node) {
        // 被删除节点是红色 或者 用于取代被删除节点的子节点是红色
        if (isRed(node)) {
            black(node);
            return;
        }

        // 被删除节点的父节点
        Node<K, V> parent = node.parent;

        // 根节点 或者 递归后上溢到达根节点
        if (parent == null) {
            return;
        }

        // 被删除节点是黑色叶子节点(下溢)
        // 判断被删除节点是左边还是右边
        boolean left = (parent.left == null) || (node.isLeftChild());
        // 被删除节点的兄弟节点
        Node<K, V> sibling = (left ? parent.right : parent.left);
        if (left) {
            // 被删除节点在左边，兄弟节点在右边
            if (isRed(sibling)) {
                // 兄弟节点是红色
                // 兄弟节点染成黑色，父节点染成红色
                black(sibling);
                red(parent);
                // 将父节点进行左旋转
                rotateLeft(parent);
                // 更换兄弟节点
                sibling = parent.right;
            }
            // 兄弟节点是黑色
            if (isBlack(sibling.left) && isBlack(sibling.right)) {
                // 兄弟节点左右都是BLACK节点，即: 兄弟节点没有一个红色子节点，父节点需要向下与兄弟节点合并
                // 判断父节点是不是黑色(父节点是红色则不会下溢，否则会下溢)
                boolean parentBlack = isBlack(parent);
                // 父节点染成黑色，兄弟节点染成红色
                black(parent);
                red(sibling);

                // 父节点下溢
                if (parentBlack) {
                    afterRemove(parent);
                }
            } else {
                // 兄弟节点至少有一个红色子节点，需要向兄弟节点借元素
                if (isBlack(sibling.right)) {
                    // 兄弟节点只有一个红色子节点且红色子节点是右子节点，对兄弟节点进行左旋转
                    rotateRight(sibling);

                    // 更换兄弟节点，此时兄弟节点由于旋转已经被更改
                    sibling = parent.right;
                }

                // 染色: 旋转之后的中心节点继承父节点颜色，左右节点染成黑色
                // 先染色: 兄弟节点继承父节点颜色，父节点和兄弟节点的子节点染成黑色
                color(sibling, colorOf(parent));
                black(sibling.right);
                black(parent);

                // 兄弟节点只有一个红色子节点且红色子节点是左子节点 或 兄弟节点有俩个红色个节点，都是对父节点进行左旋转
                rotateLeft(parent);
            }
        } else {
            if (isRed(sibling)) {
                black(sibling);
                red(parent);
                rotateRight(parent);
                sibling = parent.left;
            }
            if (isBlack(sibling.left) && isBlack(sibling.right)) {
                boolean parentBlack = isBlack(parent);
                black(parent);
                red(sibling);

                if (parentBlack) {
                    afterRemove(parent);
                }
            } else {
                if (isBlack(sibling.left)) {
                    rotateLeft(sibling);
                    sibling = parent.left;
                }

                color(sibling, colorOf(parent));
                black(sibling.left);
                black(parent);
                rotateRight(parent);
            }
        }
    }

    /**
     * 获取传入节点的前驱节点
     *
     * @param node 二叉树节点
     * @return 此节点的前驱节点
     */
    private Node<K, V> predecessor(Node<K, V> node) {
        if (node == null) {
            return null;
        }

        // 前驱节点在左子树中，即此节点的左子节点的最后一个右子节点(node.left.right.right...)
        Node<K, V> p = node.left;
        if (p != null) {
            while (p.right != null) {
                p = p.right;
            }
            return p;
        }

        // 左子树为空，前驱节点是此节点的父节点或祖父节点
        // 如果父节点不为空 且 父节点的左子树是此节点，则一直往上找父节点
        while (node.parent != null && (node == node.parent.left)) {
            node = node.parent;
        }

        // 没找到父节点(node.parent == null) 或 父节点的右子节点是此节点(node == node.parent.right)
        return node.parent;
    }

    /**
     * 获取传入节点的后继节点
     *
     * @param node 二叉树节点
     * @return 此节点的后继节点
     */
    private Node<K, V> successor(Node<K, V> node) {
        if (node == null) {
            return null;
        }

        // 前驱节点在右子树中，即此节点的右子节点的最后一个左子节点(node.right.left.left...)
        Node<K, V> p = node.right;
        if (p != null) {
            while (p.left != null) {
                p = p.left;
            }
            return p;
        }

        // 左子树为空，前驱节点是此节点的父节点或祖父节点
        // 如果父节点不为空 且 父节点的左子树是此节点，则一直往上找父节点
        while (node.parent != null && (node == node.parent.right)) {
            node = node.parent;
        }

        // 没找到父节点(node.parent == null) 或 父节点的左子节点是此节点(node == node.parent.left)
        return node.parent;
    }

    /**
     * RR 左旋转
     *
     * @param grand 祖父节点
     */
    private void rotateLeft(Node<K, V> grand) {
        Node<K, V> parent = grand.right;
        Node<K, V> child = parent.left;
        grand.right = child;
        parent.left = grand;

        // 旋转之后的维护
        afterRotate(grand, parent, child);
    }

    /**
     * LL 右旋转
     *
     * @param grand 祖父节点
     */
    private void rotateRight(Node<K, V> grand) {
        Node<K, V> parent = grand.left;
        Node<K, V> child = parent.right;
        grand.left = child;
        parent.right = grand;

        // 旋转之后的维护
        afterRotate(grand, parent, child);
    }

    /**
     * 旋转后的节点维护
     *
     * @param grand  祖父节点
     * @param parent 父节点
     * @param child  父节点的左子节点或右子节点
     */
    private void afterRotate(Node<K, V> grand, Node<K, V> parent, Node<K, V> child) {
        // 让 parent 成为这棵树的根节点
        parent.parent = grand.parent;
        if (grand.isLeftChild()) {
            grand.parent.left = parent;
        } else if (grand.isRightChild()) {
            grand.parent.right = parent;
        } else {
            // grand 是 root 节点
            root = parent;
        }

        // 更新 child 的 parent
        if (child != null) {
            child.parent = grand;
        }

        // 更新 grand 的 parent
        grand.parent = parent;
    }

    /**
     * 将传入节点染色
     *
     * @param node  需要染色的节点
     * @param color 该节点需要染的颜色
     * @return 染色后的节点
     */
    private Node<K, V> color(Node<K, V> node, boolean color) {
        if (node == null) {
            return null;
        }

        node.color = color;
        return node;
    }

    /**
     * 将传入节点染成红色
     *
     * @param node 需要染成红色的节点
     * @return 染色后的节点
     */
    private Node<K, V> red(Node<K, V> node) {
        return color(node, RED);
    }

    /**
     * 将传入节点染成黑色
     *
     * @param node 需要染成黑色的节点
     * @return 染色后的节点
     */
    private Node<K, V> black(Node<K, V> node) {
        return color(node, BLACK);
    }

    /**
     * 获取传入节点的颜色
     *
     * @param node 红黑树节点
     * @return 该节点颜色: true: 黑色; false: 红色
     */
    private boolean colorOf(Node<K, V> node) {
        // 如果为空则认为是黑色
        return node == null ? BLACK : node.color;
    }

    /**
     * 判断该节点是否为红色
     *
     * @param node 红黑树节点
     * @return 是否为红色: true: 红色; false: 不是黑色
     */
    private boolean isRed(Node<K, V> node) {
        return colorOf(node) == RED;
    }

    /**
     * 判断该节点是否为黑色
     *
     * @param node 红黑树节点
     * @return 是否为黑色: true: 黑色; false: 不是黑色
     */
    private boolean isBlack(Node<K, V> node) {
        return colorOf(node) == BLACK;
    }

    /**
     * 比较 k1 与 k2 并返回比较结果
     *
     * @param k1 要比较的第一个元素
     * @param k2 要比较的第二个元素
     * @return 0:k1 = k2; 1:k1 > k2; -1:k1 < k2
     */
    private int compare(K k1, K k2) {
        if (comparator != null)
            return comparator.compare(k1, k2);

        // 判断传入的类是否实现了 Comparable
        if (k1 instanceof Comparable) {
            return ((Comparable<K>) k1).compareTo(k2);
        }

        // 没有传入比较器，抛出类型转换异常
        throw new ClassCastException("The Key of the Map must implement Comparable interface");
    }

    /**
     * 空值检测，Map中的Key不得为空
     *
     * @param key 键
     */
    private void keyNotNullCheck(K key) {
        if (key == null) {
            throw new IllegalArgumentException("The Key of the Map must not be empty");
        }
    }

    /**
     * Map 节点
     *
     * @param <K> 键
     * @param <V> 值
     */
    private static class Node<K, V> {
        K key;
        V value;
        Node<K, V> parent;
        Node<K, V> left;
        Node<K, V> right;
        boolean color = RED;

        public Node(K key, V value, Node<K, V> parent) {
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.parent = parent;
        }

        public boolean isLeaf() {
            return left == null && right == null;
        }

        public boolean hasTwoChildren() {
            return left != null && right != null;
        }

        public boolean isLeftChild() {
            return parent != null && this == parent.left;
        }

        public boolean isRightChild() {
            return parent != null && this == parent.right;
        }

        public Node<K, V> sibling() {
            if (isLeftChild()) {
                return parent.right;
            }
            if (isRightChild()) {
                return parent.left;
            }
            return null;
        }
    }

}
